水冷管式換熱系統(tǒng)的設(shè)計與性能研究

楊雷(山西太原市陽煤化工機械（集團）有限公司)

普通機械冷庫在工作時相應(yīng)的半冷時間長。為了增加對濕度，普通機械冷庫通常采用微量噴霧來防止蔬菜脫水。但在噴霧過程中會導(dǎo)致冷庫內(nèi)形成大小不一的水滴，這些水珠附著于果蔬表面，果蔬出現(xiàn)水漬狀凹斑和萎縮，導(dǎo)致細菌繁殖，進一步造成果蔬腐爛變質(zhì)。為了解決上述問題，改進的方法是采用濕冷空氣入庫進行果蔬的濕冷保鮮。本文以果蔬保鮮為研究對象，采用濕冷庫系統(tǒng)研究水冷管式換熱器的設(shè)計和計算方法，為今后的普及和推廣應(yīng)用提供有效依據(jù)。

1 計算方法

1.1 貨架降溫速率

濕冷庫中的貨架采用的是不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼貨架的質(zhì)量為30kg，相應(yīng)的比熱容數(shù)值大小為0.5kJ/(kg·K)，可以計算得出對濕冷庫中的不銹鋼貨架的降溫速率(Q2)為0.0375kW。此計算結(jié)果未考慮其他熱量損失。

1.2 濕冷庫庫體的冷量損失速率

在濕冷庫中通常采取PS材料作為庫體的保溫材料，PS即聚苯乙烯。絕熱泡沫PS的厚度為0.2m，PS泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)為0.06W/(m·K)，保溫封裝用PS的長、寬、高分別為2.5×2.5×2m。根據(jù)表面積計算公式得出濕冷庫的庫體表面積為28m2。最好計算得出庫體導(dǎo)熱引起的冷量損失速率(Q3)為0.190kW。此計算結(jié)果未考慮其他熱量損失。

1.3 換熱總速率的計算

水冷管式換熱器制冷機的冷凍工作條件如下:冷凝溫度為35℃，制冷劑的制冷溫度為2℃。最后計算得出水冷管式換熱器在標(biāo)準(zhǔn)工作狀況下其制冷量達到0.63kW。因此按此計算結(jié)果可以選用合適的制冷機(制冷機的標(biāo)準(zhǔn)制冷量不應(yīng)低于上述計算結(jié)果0.63kW)來進行果蔬的制冷保鮮。此計算結(jié)果未考慮其他熱量損失。

2 換熱器填料高度的計算

根據(jù)傳遞速率方程，濕冷換熱器的填料高度計算公式為：

傳遞速率方程表示傳遞體系溫度、焓變、溫度差與傳遞速率之間的定量關(guān)系。其中Ha表示氣相傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m3·h)，G表示濕冷系統(tǒng)中空氣流速，kg/(m2·h)k，I表示濕空氣的焓，kJ/kg，Nf表示傳遞單元數(shù)，Hf表示濕冷系統(tǒng)傳遞單元高度，m，Ie表示飽和濕空氣的焓，I1表示濕冷系統(tǒng)換熱器底部中濕空氣產(chǎn)生的焓變，I2表示濕冷系統(tǒng)換熱器頂部濕空氣產(chǎn)生的焓變。濕空氣平均比熱容C=1.021kJ/(kg·K)，濕空氣進出口溫度差Δt=2℃，最后計算得出濕空氣絕干空氣的質(zhì)量流量mg為0.612kg/s。此計算公式未考慮其他熱量損失。

3 濕冷系統(tǒng)試驗

本文基于上述設(shè)計思路和實際計算結(jié)果，構(gòu)建出一套水冷管式換熱器冷凍保鮮系統(tǒng)。分別測試此水冷管式換熱器冷凍保鮮系統(tǒng)在不同狀態(tài)時的儀器參數(shù)，包括在剛開機和開機后的2.5h后的水箱溫度以及空氣的溫濕度等實驗數(shù)據(jù)。

在本實驗中，實際選用的制冷機的制冷功率在0.5kW以上，再加上水冷管式換熱器制冷體系中使用的循環(huán)水是低濃度的鹽水，因而水箱水溫和庫內(nèi)空氣溫度逐漸下降。研究數(shù)據(jù)表明，水冷管式換熱器冷凍體系中的庫內(nèi)的空氣流量、填料高度、水箱中的水流量是決定庫內(nèi)空氣狀態(tài)的主要參數(shù)，其調(diào)節(jié)目的是達到運行安全，提高冷管式換熱器制冷系統(tǒng)的可靠性。

研究數(shù)據(jù)顯示，濕冷庫的預(yù)冷效果優(yōu)于普通冷庫。在設(shè)置好的工作狀態(tài)下，水冷管式換熱器的工作功率完全能夠抵消實際產(chǎn)生的熱量，因而使得水冷管式換熱器在工作時處于最佳的運行狀態(tài)。經(jīng)過改進后的水冷管式換熱器進行了多種果蔬的保鮮保質(zhì)試驗。

為了驗證水冷管式換熱器對多種果蔬都具有保質(zhì)保鮮作用，因而采用經(jīng)改進后的水冷管式換熱器進行了獼猴桃的預(yù)冷試驗。綜上所述，本文設(shè)計出的水冷管式換熱器冷凍系統(tǒng)對獼猴桃具有明顯的保鮮保質(zhì)作用。

4 結(jié)語

在果蔬的冷凍保鮮過程中，對于提高水冷管式換熱器殼體的使用承載能力，防止果蔬出現(xiàn)水漬狀凹斑和萎縮導(dǎo)致細菌繁殖有積極的作用,從而為水冷管式換熱器的設(shè)計制造、實際使用和后期維護、延長使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)研究提供了有益的指導(dǎo)。水冷管式換熱器尤其適用于新鮮果蔬采摘之后的預(yù)冷環(huán)節(jié)，對于新鮮果蔬的保質(zhì)保鮮也有一定的使用效果和意義。水冷管式換熱器不久將迎來豐碩的市場前景。

[1]張曉彥，劉偉民.國內(nèi)外果蔬涂膜技術(shù)動態(tài).食品科技，2000(6):2-3.

[2]時鈞，汪家鼎，余國宗等.化學(xué)工程手冊(上卷).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996.